γ射線輻照協同水熱處理制備油茶殼低聚木糖的工藝研究

武小芬 彭煒煜 沈曉巖 王 巖 齊 慧 劉 安蘇小軍 陳 亮，*

（1湖南省農業科學院，湖南省核農學與航天育種研究所，湖南 長沙 410125；2湖南農業大學食品科技學院，湖南 長沙 410128；3湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125）

油茶（CamelliaoleiferaAbel）是世界四大木本油料作物之一，2022年全國油茶種植面積約7 000 萬畝（1 畝≈666.67 m2，下同），根據國家林業和草原局等發布的《加快油茶產業發展三年行動方案（2023—2025年）》［1］，預計2025年油茶種植面積達9 000 萬畝，產業發展潛力巨大。油茶殼作為茶油加工的主要副產物，占茶果鮮重的50%～60%，是寶貴的生物質資源［2］。但作為副產物的油茶殼利用率較低，通常被丟棄或焚燒，不僅造成資源浪費，還造成土壤/地下水污染和溫室氣體排放［3］。油茶殼中含有豐富的木質纖維素組分，其中木聚糖含量可達22.33%［4］。因此，采用油茶殼木聚糖制備低聚木糖（xylo-oligosaccharides，XOS）能夠促進油茶殼資源的高值化利用［5］。

低聚木糖一般指聚合度為2～7 的木糖聚合物，具有促進有益菌增值、預防便秘和結腸癌、降低血清膽固醇濃度等作用，主要制備方法包括物理法、化學法和酶水解法等［4，6-7］。其中，物理法處理過程簡單、環境友好，制備的低聚木糖純度較高，但得率低［8］；化學法主要以酸水解為主，具有操作簡單、成本低等優點，但降解產物復雜、易造成環境污染［9］；酶法具有副產物少、環境友好、產品得率高等優點，但酶成本較高［10］。水熱處理技術以水作為反應的唯一溶劑，通過水自電離產生水合氫離子攻擊半纖維素的糖苷鍵、O-乙酰基和O-葡萄糖醛酸基，產生乙酸和葡萄糖醛酸等有機酸，催化半纖維素的解聚［11-12］。Moniz 等［13］在210 ℃下水熱處理稻草制備低聚木糖的得率為40.10%。Zhang等［14］采用白樺木屑中乙酰基催化甘蔗渣水熱處理制備低聚木糖，當甘蔗渣/白樺比為65∶35 時，160 ℃反應100 min，低聚木糖得率為49.64%，200 ℃反應10 min，得率提高到52.99%，均高于單一甘蔗渣水熱處理。

盡管水熱處理能夠有效解聚木聚糖制備低聚木糖，但單一水熱處理低聚木糖得率相對較低，需要通過協同處理或加入催化劑來提高低聚木糖轉化率。輻照技術作為一種非熱、綠色的預處理方法，可破壞木質纖維素結構，使多糖鏈發生斷裂形成羧基和醛基，并可催化木聚糖的水熱解聚［15-17］。因此，本試驗以0～1 000 kGy 輻照處理的油茶殼為原料，通過單因素和正交試驗研究γ 射線輻照協同水熱處理油茶殼生產低聚木糖的工藝，旨在實現油茶殼木聚糖高效制備低聚木糖的目標，為油茶殼資源高效利用提供理論依據，同時助力于提升油茶產業經濟效益和推動產業高質量發展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油茶殼由湖南大三湘茶油有限公司提供，自然晾干后備用。

葡萄糖、木糖標準品，美國Sigma公司；濃硫酸，上海國藥集團化學試劑有限公司；試驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

FW 177 高速粉碎機，天津泰斯特儀器有限公司；JJ-6恒速攪拌器，江蘇金儀儀器科技有限公司；DZKWs-4電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫療儀器有限公司；GZX-9246電熱鼓風干燥箱、SHZ-C 水浴恒溫振蕩器、YXQ-50 SⅡ立式壓力蒸汽滅菌鍋，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；BLUE STARA 紫外分光光度計，北京萊伯泰科儀器股份有限公司；Ulti Mate 3000 高效液相色譜，美國賽默飛世爾科技有限公司；Eco-S 15純水系統，上海和泰儀器有限公司；雷諾PHS-3 C型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 輻照處理 將自然晾干的油茶殼裝于40 cm×20 cm×20 cm 金屬輻照箱中進行動態輻照處理。輻射源為鈷-60，源活度2.96×1016Bq，吸收劑量率為2 kGy·h-1，輻照吸收劑量分別為0（未處理的油茶殼，對照）、200、400、600、800、1 000 kGy。輻照處理后樣品粉碎過40目篩、裝于自封袋中備用。

1.3.2 單因素試驗 按固液比1∶5、1∶7.5、1∶10、1∶15、1∶20 g·mL-1，分別稱取一定量0、200、400、600、800、1 000 kGy 輻照處理的油茶殼粉末裝于100 mL 立式不銹鋼高壓反應器中，置于帶磁力攪拌功能的油浴鍋中于80、100、120、140、160、180、200、220 ℃進行水熱處理10、20、30、40、50、60 min。樣品經水熱處理后，冷卻，6 000 r·min-1離心10 min，收集濾液，采用高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）直接測定木糖含量；另外，取7 mL 濾液加入0.25 mL 72%的硫酸，置于高壓蒸汽滅菌鍋中，121 ℃水解60 min，采用HPLC 測定酸解濾液中的木糖含量，通過公式（1）和（2）計算木糖和低聚木糖轉化率［11］。

式中，m1為油茶殼粉絕干質量（g）；m2為水熱處理液中的木糖質量（g）；m3為水熱處理液酸解后的木糖質量（g）；p為油茶殼中木聚糖百分含量（%）。

1.3.3 正交試驗設計 在單因素試驗基礎上，以吸收劑量（A）、水熱處理溫度（B）、水熱處理時間（C）、固液比（D）為因素，以低聚木糖轉化率為指標，進行四因素三水平的正交試驗設計，確定γ 射線輻照協同水熱處理制備低聚木糖的最佳工藝。因素與水平見表1。

表1 正交試驗設計因素與水平Table 1 Factors of orthogonal array design

1.3.4 驗證試驗 以未輻照（0 kGy）油茶殼為對照，對單因素和正交試驗獲得的最優條件進行驗證，水熱處理方法按1.3.2進行。

1.3.5 油茶殼水溶性組分和木聚糖含量測定 稱取3.0 g（精確至0.000 1 g）油茶殼粉，按固液比1∶30 g·mL-1加90 mL 去離子水于三角瓶中，于50 ℃、130 r·min-1反應120 min，濾紙過濾，濾液采用HPLC 分析葡萄糖、木糖含量，并測定pH 值；取7 mL 濾液加入0.25 mL 72%硫酸121 ℃反應60 min，HPLC 測定酸解后的葡萄糖和木糖含量；濾渣采用少量去離子水沖洗，于105 ℃烘箱中烘干至恒重，用于測定油茶殼木聚糖含量［18］。根據公式（3）計算水溶性組分含量。

式中，m1為油茶殼粉絕干質量（g）；m2為水洗后濾渣絕干質量（g）。

參照美國國際可再生能源實驗室分析方法測定油茶殼中木聚糖含量［19］。稱取1.3.5 中烘干后濾渣0.3 g（精確至0.000 1 g）于三角瓶內，加入3 mL 72%的硫酸，于30 ℃水浴反應60 min。隨后加入84 mL 蒸餾水將硫酸濃度稀釋至4%，放入高壓蒸汽滅菌鍋中121 ℃反應60 min，反應結束后冷卻、過濾，濾液用去離子水稀釋至合適倍數后，采用HPLC 測定木糖含量，根據公式（4）計算油茶殼中木聚糖含量。

式中，m1為油茶殼粉絕干質量（g）；m2為HPLC 測定的木糖質量（g）；0.88為木聚糖與木糖轉換系數。

1.3.6 葡萄糖和木糖含量的測定 采用高效液相色譜測定葡萄糖和木糖含量。色譜柱為Aminex HPX-87H（7.8 mm×300 mm）、柱溫55 ℃，流動相為0.005 mol·L-1硫酸、流速0.6 mL·min-1，示差折光檢測器（溫度45 ℃），進樣體積10 μL［20］。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 和Origin 2019 軟件進行數據分析和繪圖，采用SPSS 23.0 軟件進行單因素方差分析（Duncan’s新復極差法）和正交試驗結果分析。

2 結果與分析

2.1 輻照處理對油茶殼木聚糖和水溶性組分含量的影響

不同吸收劑量處理的油茶殼水溶性組分和木聚糖含量見表2。未輻照油茶殼中木聚糖含量為21.45%，隨著吸收劑量的增加，木聚糖含量呈下降趨勢，1 000 kGy 輻照處理油茶殼中木聚糖含量降至最低值11.77%。在0～600 kGy 范圍，油茶殼水溶性組分含量隨吸收劑量的增加呈升高趨勢，600～800 kGy范圍稍有下降，但無顯著差異，1 000 kGy 輻照處理后達到最大值。水溶性組分中低聚木糖含量隨吸收劑量的升高顯著增加（P＜0.05），1 000 kGy輻照處理后低聚木糖含量為對照的9.63 倍；低聚葡萄糖含量隨吸收劑量的升高也呈增加趨勢，但增幅遠小于低聚木糖；葡萄糖和木糖含量隨吸收劑量的變化無明顯規律。此外，輻照處理后油茶殼水浸提液pH 值也隨吸收劑量的增加逐漸降低。

表2 不同吸收劑量處理對油茶殼木聚糖和水溶性組分含量的影響Table 2 Effects of different absorbed doses on the contents of xylan and water-soluble components in Camellia oleifera shells

2.2 輻照協同水熱處理油茶殼制備低聚木糖單因素試驗

不同吸收劑量（0～1 000 kGy）處理油茶殼，在固液比（1∶5）～（1∶20）g·mL-1、水熱處理溫度80～220 ℃反應10～60 min，處理后低聚木糖和木糖的轉化率見圖1。由圖1-A 可知，隨著吸收劑量的增加，油茶殼經100 ℃處理30 min，低聚木糖和木糖轉化率均呈增加趨勢，說明輻照能夠促進水熱處理過程中油茶殼木聚糖轉化為低聚木糖，同時也有部分轉化為木糖；當吸收劑量為400 kGy 時，低聚木糖轉化率顯著增加，比對照提高了32.98個百分點；而吸收劑量從400 kGy增加至1 000 kGy時，低聚木糖轉化率僅提高9.51 個百分點，增幅遠低于0～400 kGy。溫度是影響油茶殼低聚木糖轉化率的重要因素（圖1-B），隨著水熱處理溫度的升高，低聚木糖轉化率呈先升高后降低的趨勢，當處理溫度為180 ℃時，低聚木糖轉化率達到最大值，180～200 ℃處理間低聚木糖轉化率無顯著差異，220 ℃處理后低聚木糖轉化率顯著降低；木糖轉化率隨處理溫度的升高呈逐漸增加的趨勢，220 ℃處理后木糖轉化率顯著高于其他處理組，說明提高水熱處理溫度會促進木聚糖轉化為低聚木糖，但溫度過高會促進低聚木糖的進一步降解，從而導致轉化率降低。不同處理時間對油茶殼低聚木糖和木糖轉化率的影響見圖1-C，當水熱處理時間為0～30 min，油茶殼低聚木糖轉化率隨反應時間的延長呈顯著增加趨勢，處理時間為40 min時，低聚木糖轉化率達到最大值，但在30～60 min 處理組，油茶殼低聚木糖轉化率無顯著差異；木糖轉化率則隨著反應時間的延長逐漸升高。由圖1-D可知，當固液比為1∶5 g·mL-1時，油茶殼水熱處理低聚木糖轉化率為66.47%，低聚木糖濃度達到25.47 g·L-1；隨固液比的增加，低聚木糖轉化率逐漸升高，這是由于底物濃度低時反應更充分；但固液比（1∶10）～（1∶20）g·mL-1處理間低聚木糖轉化率無顯著差異。

圖2 不同處理對油茶殼低聚木糖和木糖轉化率的影響Fig.2 Effects of different treatment on xylo-oligosaccharide and xylose conversion rate of Camelia oleifera shell

2.3 正交試驗優化輻照協同水熱處理油茶殼制備低聚木糖工藝

γ射線輻照協同水熱處理制備油茶殼低聚木糖正交試驗結果見表3。極差數據表明，各因素對油茶殼低聚木糖轉化率的影響程度依次為吸收劑量（A）＞水熱處理溫度（B）＞固液比（D）＞水熱處理時間（C），最佳處理條件為A2B3C3D2。

表3 γ射線輻照協同水熱處理制備低聚木糖L9（43）正交試驗結果Table 3 The results of L9（43）orthogonal test for xylo-oligosaccharide prepared by γ ray irradiation combined with hydrothermal treatment

由正交試驗得出的低聚木糖轉化率最優組合并未包含在表3 中的9 組試驗中，因此，以未輻照樣品為對照，選取單因素試驗最佳條件（A2B2C2D2）、正交試驗最優組合（A2B3C3D2）、正交表中最優組（A2B3C1D2）進行驗證。結果表明（表4），3組驗證試驗中A2B3C1D2組低聚木糖轉化率最高，比對照提高了22.61 個百分點。因此，最終確定A2B3C1D2為輻照協同水熱處理油茶殼制備低聚木糖的最優試驗條件，即吸收劑量400 kGy、水熱處理溫度200 ℃、水熱處理時間20 min、固液比1∶10 g·mL-1。

表4 正交試驗驗證結果Table 4 The verified results for orthogonal test/%

3 討論

輻照技術用于生物質預處理優勢明顯，具有操作簡便、過程能耗低、不需高溫、不污染環境、易于實現產業化等優點。經輻照處理后的木質纖維素類生物質結構變得松散，纖維素和半纖維素糖苷鍵發生斷裂，部分降解形成小分子水溶性聚糖，且輻照對木聚糖的降解作用大于纖維素和木質素［21-22］；武小芬等［23］對輻照后木聚糖樣品理化特性和結構進行分析發現，γ 射線輻照處理后的木聚糖表觀結構被破壞，聚合度減小、熱穩定性降低、反應活化能下降；這些變化均有助于水熱處理過程中木聚糖的解聚。本研究發現，隨吸收劑量的升高，油茶殼水浸提液pH 值逐漸降低，是由于輻照處理后纖維素、木聚糖和木質素會發生降解產生小分子脂肪酸類物質；同時，這些產物在水熱反應過程中可以作為催化劑促進低聚木糖的產生［23-25］。

水熱制備低聚木糖的試驗中，400 kGy輻照處理的油茶殼低聚木糖轉化率比未輻照油樣品提高22.61 個百分點；Liu 等［16］采用800 kGy 輻照結合水熱處理玉米芯，底物濃度30%、160 ℃反應60 min，低聚木糖濃度超過45.53 g·L-1；這些研究結果表明，輻照是一種有效的預處理手段，能夠促進水熱處理過程中木聚糖轉化為低聚木糖。本試驗采用輻照結合水熱處理油茶殼制備低聚木糖，轉化率最高可達74.33%；Shen 等［26］采用水熱處理楊木木屑，180 ℃反應30 min，低聚木糖轉化率為53.2%；Zhang等［4］采用蘋果酸催化水熱處理油茶殼，120 ℃反應30 min，低聚木糖轉化率為67.75%；You等［27］采用氯化鋅催化水熱處理油茶殼，170 ℃反應30 min，低聚木糖轉化率為61.38%；這些研究結果說明，采用輻照協同水熱處理制備低聚木糖的轉化率高于單一水熱處理，同時也高于蘋果酸和氯化鋅等作為催化劑的水熱處理。盡管本研究低聚木糖轉化率低于Zhang 等［28］采用球磨+超聲+水熱處理組（80.40%），但輻照處理相對于球磨具有能耗低、噪音小、處理過程相對簡便等優點，且文獻中水熱處理時間為90 min，本研究最佳處理時間僅為20 min，大幅提高了處理效率。

輻照預處理后的油茶殼，水熱處理固液比降至1∶5 g·mL-1時，低聚木糖轉化率仍保持較高水平（66.47%），而此時處理液中低聚木糖濃度可達25.47 g·L-1，這說明輻照結合水熱處理是一種有效的制備低聚木糖的方法。后續將在本試驗的基礎上，進一步開展不同處理條件下低聚木糖的組成變化研究，探討木二糖、木三糖和木四糖占總低聚木糖的比例，形成2～4 低聚合度低聚木糖高效制備工藝。同時，還將對低聚木糖分離純化技術進行研究，開發出高品質的低聚木糖產品。此外，水熱處理后油茶殼殘渣主要以纖維素和木質素為主，對其進行理化結構分析和產品開發，將有助于推動實現油茶殼資源全組分高值化利用的目標。

4 結論

輻照處理會促進油茶殼中木聚糖的降解，使油茶殼中水溶性組分和低聚木糖含量增加，促進水熱處理過程中木聚糖的轉化。單因素和正交試驗結果表明，輻照協同水熱處理油茶殼制備低聚木糖的最佳工藝為吸收劑量400 kGy、水熱處理溫度200 ℃、水熱處理時間20 min、固液比1∶10 g·mL-1，此條件下低聚木糖的轉化率為74.33%，比未輻照油茶殼低聚木糖轉化率提高22.61 個百分點。可見，相對于傳統水熱處理技術，采用輻照協同水熱處理是制備低聚木糖的有效手段。